CAS（Compare And Set）

Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下简称Atomic包），这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。

悲观锁与乐观锁

悲观锁，认为数据发生并发冲突的概率很大，所以读操作之前就上锁。synchronized关键字，ReentrantLock 都是悲观锁的典型例子。

对于乐观锁，认为数据发生并发冲突的概率比较小，所以读操作之前不上锁。等到写操作的时候，再判断数据在此期间是否被其他线程修改了。如果被其他线程修改了，就把数据重新读出来，重复该过程；如果没有被修改，就写回去。判断数据是否被修改，同时写回新值，这两个操作要合成一个原子操作，也就是CAS（Compare And Set）。

原子更新基本类型类

使用原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3个类。

❑ AtomicBoolean：原子更新布尔类型。

❑ AtomicInteger：原子更新整型。

❑ AtomicLong：原子更新长整型。

以上3个类提供的方法类似以AtomicInteger为例进行讲解，AtomicInteger的常用方法如下。

➢ int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。

➢ boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。

➢ int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。

➢ void lazySet（int newValue）：最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。

➢ int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

public class AtomicIntegerTest {
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
    }
}

Unsafe的CAS

CAS函数，其实是封装的Unsafe类中的一个native函数，如下所示。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

AtomicInteger封装过的compareAndSet有两个参数。

第一个参数e xpect是指变量的旧值（是读出来的值，写回去的时候，希望没有被其他线程修改，所以称为expect）；

第二个参数update是指变量的新值（修改过的，希望写入的值）。

当expect等于变量当前的值时，说明在修改的期间，没有其他线程对此变量进行过修改，所以可以成功写入，变量被更新为update，返回true；否则返回false。

Unsafe类是整个Concurrent包的基础，里面所有函数都是native 的。具体到compareAndSwapInt函数，如下所示。

1	`public` `final` `native` `boolean` `compareAndSwapInt(Object var1,` `long` `var2,` `int` `var4,` `int` `var5);`

该函数有4个参数。在前两个参数中，第一个是对象（也就是 AtomicInteger 对象），第二个是对象的成员变量（也就是AtomicInteger里面包的int变量value），后两个参数保持不变。要特别说明一下第二个参数，它是一个long型的整数，经常被称为xxxOffset，意思是某个成员变量在对应的类中的内存偏移量（该变量在内存中的位置），表示该成员变量本身。在Unsafe中专门有一个函数，把成员变量转化成偏移量，如下所示。

1	`public` `native` `long` `objectFieldOffset(Field var1);`

所有调用CAS的地方，都会先通过这个函数把成员变量转换成一个 Offset。以AtomicInteger为例：

从上面代码可以看到，无论是Unsafe还是valueOffset，都是静态的，也就是类级别的，所有对象共用的。在转化的时候，先通过反射（getDeclaredField）获取value成员变量对应的Field对象，再通过objectFieldOffset函数转化成valueOffset。此处的valueOffset就代表了value变量本身，后面执行CAS操作的时候，不是直接操作value，而是操作valueOffset。

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下3个类。

❑ AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素。

❑ AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素。

❑ AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素。

注意，这里并不是说对整个数组的操作是原子的，而是针对数组中一个元素的原子操作而言。

AtomicIntegerArray类常用方法如下。

➢int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。

➢boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

public class AtomicIntegerArrayTest {
    static int[] value = new int[]{1, 2};
    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);
    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0, 3);
        System.out.println(ai.get(0));
        System.out.println(value[0]);
    }
}

需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

原子更新引用类型

原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。

❑ AtomicReference：原子更新引用类型。

❑ AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段。

❑ AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef, boolean initialMark）。

以上几个类方法类似，以AtomicReference为例

public class AtomicReferenceTest {
    public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>();
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("conan", 15);
        atomicUserRef.set(user);
        User updateUser = new User("Shinichi", 17);
        atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
        System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
    }
    public static class User {
        private String name;
        private int    old;
        public User(String name, int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

原子更新字段类

原子更新字段类，Atomic包提供了以下3个类进行原子字段更新。

❑ AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器。

❑ AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。

❑ AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用CAS进行原子更新时可能出现的ABA问题。

要想原子地更新字段类需要两步。

第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。

第二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。

以上3个类提供的方法类似，以AstomicIntegerFieldUpdater为例，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "old");
    public static void main(String[] args) {
        User conan = new User("conan", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        System.out.println(a.get(conan));
    }
    public static class User {
        private String name;
        public volatile int old;
        public User(String name, int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}